Le champ et le boson de Higgs : La masse sans masse
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- Samuel Pothier
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1 Le champ et le boson de Higgs : La masse sans masse Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie de Grenoble CNRS/IN2P3 - Université de Grenoble collot@in2p3.fr 1
2 Ce dont nous sommes faits compose aussi l'univers visible La connaissance des composants élémentaires est l'une des clés de la compréhension de notre Univers. 2
3 Il suffit de peu pour faire un monde! La musique : 7 notes et 2 altérations -classées sur des portées selon leurs fréquences -liées en accords L'Univers physique : 12 particules élémentaires et 4 interactions -classées dans des multiplets -systèmes liés (noyaux, atomes, molécules, cristaux, formations cosmiques... ) 3
4 Éléments de langage Un champ : un fluide immatériel qui emplit l'espace physique. Il y a de nombreux champs dans l'espace (électromagnétique, gravitationnel...) Une particule : une excitation quantique d'un champ Le spin d'une particule : la rotation «quantique» propre (sur elle-même) d'une particule boson : une particule de l'espèce la plus courante (le photon est un boson). Les bosons portent un spin entier ( N ђ ). Ils peuvent être produits dans le même état quantique (laser, CBE...). fermion : Toute autre particule. Les fermions incluent les principaux composants élémentaires de notre matière (électron, quarks). Ils portent un spin demi-entier ( (2N+1)/2 ђ ). Un seul fermion de même nature par état quantique. 4
5 Les composants élémentaires neutrino neutrino Q=0 neutrino électronique muonique bosons faibles tau Photon Q= - e électron quark up Q = 2/3 e muon quark charmé tau Gluons quark top Interaction faible q= -1/3 e quark down quark étrange quark beau Interaction électromagnétique Interaction forte de couleur 5
6 Le proton est une sorte de bouillonnement microscopique de quarks et de gluons d'une taille cent mille fois plus faible que celle d'un atome UP Le proton calcul sur ordinateur UP DOW N oeuvre d'art de Catherine Chariot-Dayez La structure d'un proton est plus complexe que celle d'une étoile. 6
7 Et tout le reste 7
8 Masse La masse est omniprésente en physique. P=m g masse gravitationnelle Galilée F=m a masse inertielle Newton 2 E=m c équivalence masse-énergie Einstein Toutes ces masses sont identiques. Dans notre modélisation du monde, les particules élémentaires nues seraient de masse nulle ce qui est contraire à l'expérience. 8
9 Le mécanisme de Brout, Englert et Higgs Le champ BEH emplit l'univers mais initialement (juste après le Big Bang) sa valeur est en moyenne nulle. Une particule libre initialement de masse nulle interagit avec ce champ.. Son énergie d'interaction est proportionnelle à sa masse et au carré de la valeur du champ (ici un nombre ou encore un scalaire). Initialement le champ est nul, par conséquent l'énergie d'interaction est nulle. Cette particule garde alors une masse nulle. 9
10 Le mécanisme de Brout, Englert et Higgs Quelques instants après le Big Bang (10-12 s), le champ BEH subit une transformation de phase. Sa valeur moyenne devient non nulle et constante en tout point de l'espace. Une particule libre acquiert une énergie d'interaction proportionnelle à sa masse et au carré de la valeur du champ. Cette particule devient massive. Sa masse est constante Toutes les particules élémentaires interagissent avec le champ BEH sauf les photons et les gluons qui demeurent donc de masse nulle. Le boson de Higgs est l'excitation du champ de Higgs. C'est Higgs qui le premier a suggéré cette possibilité. C'est une particule neutre, massive et dépourvue de spin. 10
11 Énergie Transition de phase V(φ) Initialement, juste après le Big Bang, la température est très forte, chaque point de l'univers voit un champ de Higgs en moyenne nul. φ Valeur du champ de Higgs Un millième de milliardième de seconde après le Big Bang, la température a suffisamment décru pour que l'univers transite vers une phase où le champ de Higgs est partout de valeur moyenne constante et non nulle. La symétrie est brisée, les particules deviennent massives. V(φ) φ 11
12 Le Big Bang ère de la matière aujourd hui 0.2 mev formation des structures 109 ans 0.1 ev découplage matière/rayonnement équilibre matière/rayonnement 0.1 MeV nucléosynthèse primordiale ère radiative 13,7 109 ans 1 MeV 102 s s 1015 GeV s 1016 GeV inflation reheating 104 ans 300 GeV transition électrofaible grande unification ans 12
13 La masse des particules élémentaires L'univers contient un champ partout présent : le champ de Higgs Une particule élémentaire y est immergée Le champ de Higgs s'agglutine sur cette particule, créant ainsi une énergie en apparence de masse 13
14 Le boson de Higgs On excite le champ de Higgs Une perturbation s'y propage, c'est le boson de Higgs, qui disparaît (se désintègre) quelques instants après Une particule ressemblant fortement au boson de Higgs a été découverte récemment au CERN (annoncée le 4 juillet). Elle a une masse environ 130 fois plus grande que celle d'un proton. 14
15 La masse de notre matière Elles correspond essentiellement à la masse des noyaux. Or la masse d'un noyau est principalement la somme des masses des neutrons et des protons qu il contient (un peu moins). UP UP DOW N Mais en raison de leur multitude, la masse d'un proton ou d'un neutron correspond à la somme de l'énergie portée par leurs gluons. Conclusion : l'essentielle de la masse de notre matière provient de l'énergie portée par les gluons piegés dans nos protons et nos neutrons. 15
16 À quoi servent les accélérateurs de particules Ce sont les microscopes les plus puissants : microscope optique R = 0,2 µm microscope électronique R = 1 nm LHC R = m = nm (cent-milliardième de nanomètre) Ce sont des fabriques de particules lourdes et instables Les bosons W, Z, (1983) le quark top (1995)... le LHC (2012) : un nouveau boson (de Higgs?) avec une masse voisine de 125 GeV (130 fois la masse d'un proton) 16
17 accélérateur de particules Une masse accélère en chutant dans un champ de pesanteur + g E 1 ev = énergie acquise par une charge e qui descend une DDP de 1V LHC : 7 milliers de milliards d' ev par proton = 7 TeV Une charge électrique positive accélère en descendant un champ électrique créé par une différence statique ou dynamique de potentiels L'énergie stockée dans le LHC = énergie cinétique d'un A320 à 660 km h-1 17
18 Accélérateurs Un satellite est maintenu en orbite par la force gravitationnelle exercée par la terre. Pour garder un proton de 7 TeV sur une orbite de 4 km de rayon il faut un champ magnétique de 8,4 T. Une particule chargée est maintenue sur l'orbite circulaire d'un synchrotron par la force magnétique exercée par des électro-aimants. Le LHC fonctionne avec 1232 aimants supraconducteurs de 15m de long chacun, refroidis à la température de 1,8 K (-271,4 0C) 18
19 Large Hadron Collider (Grand Collisionneur Hadronique) 19
20 LHC 20
21 Détecter les particules instables Technique du vase brisé : si un archéologue recueille suffisamment de fragments d'un vase brisé, il peut en reconstituer le modèle original. Si un physicien perspicace mesure suffisamment de produits de la désintégration d'une particule très instable, il peut par un calcul simple reconstituer la particule d'origine. Au LHC, il peut y avoir plusieurs milliers de particules produites toutes les 25 ns, et un seul boson de Higgs toutes les 10 secondes... LHC : rechercher une aiguille brisée dans une meule de foin! 21
22 ATLAS Collaboration de 3000 scientifiques (dont 1000 étudiants) travaillant dans 174 universités et laboratoires répartis dans 38 pays du monde 22
23 3000 scientifiques (dont 1000 étudiants), 38 pays, 174 universités et laboratoires 23
24 Historique : La science c'est aussi l'école de la patience! 1964 : publication du mécanisme de Higgs par Robert Brout, François Englert et Peter Higgs 1967 : théorie complète pour toutes les particules élémentaires, Steven Weinberg 1973 : première preuve expérimentale de la validité de cette théorie apportée par l'expérience GARGAMEL du CERN conduite par André Lagarrigue : le boson de Higgs est recherché sur le collisionneur LEP au CERN sans succès : le boson de Higgs est recherché sur le collisionneur Tevatron aux USA sans succès 1983 : premier groupe de réflexion sur l'intérêt de la construction du LHC dirigé par Carlo Rubbia : phase de conception du LHC et de ses détecteurs 1994 : Approbation officielle de la construction du LHC : phase de construction du LHC et de ses détecteurs 2012 : découverte au LHC d'une particule compatible avec le boson de Higgs L'exploitation du LHC devrait se poursuivre bien au-delà de
25 Les phases du projet ATLAS Définition des objectifs 1996 Pré-série Conception 2005 (prévue) fin 2008 (réalisée) 2004 Mise en service Construction 2000 Construction Améliorations > Exploitation 25
26 Coût estimé du projet accélérateur : ~3000 MCHF, ~2500 M les détecteurs : ~1500 MCHF, ~1250 M total : ~4500 MCHF, ~3750 M ressources humaines : ~ personne.ans investissement de 55 k /scientifique/an durant la phase de conception et de construction On peut ajouter une somme comparable pour les salaires 26
27 ATLAS 27
28 Comment exciter/produire un boson de Higgs proton gluon antiquark t boson de Higgs quark t gluon proton 28
29 Désintégration du boson de Higgs photon boson Wboson de Higgs boson W+ photon 29
30 Autre désintégration du boson de Higgs électron boson Z antiélectron boson de Higgs muon boson Z antimuon 30
31 Comment détecter les particules élémentaires 31
32 Higgs se désintégrant en un électron, un antiélectron, un muon et un antimuon 32
33 Higgs se désintégrant en deux photons 33
34 Un boson Z parmi 25 collisions de protons! 34
35 La découverte Observation d'atlas Observation de CMS Ici, la découverte s'appuie sur le fait que la même particule est observée avec un niveau de confiance statistique élevé (plus de 5 écarts types) et par deux instruments différents exploités par deux collaborations indépendantes. 35
36 Est-ce réellement le boson de Higgs? C'est très probable mais pas encore certain! 36
37 La découverte Un nouveau boson d'une masse proche de 126 GeV a été découvert au CERN. Cette particule a été observée par ATLAS et CMS. Elle est compatible avec les données du Tevatron aux USA. Ses propriétés mesurées sont compatibles avec celles du boson de Higgs de la théorie standard, mais plus de données sont nécessaires pour en être sûr. Ces données devraient être acquises avant fin février
38 D'autres champs scalaires? L'Inflaton qui pourrait expliquer la phase inflationniste initiale de notre univers... 38
39 Dessin de Chappatte 39
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